Бездротове обладнання з підтримкою режиму MIMO. Технологія MIMO: що це та з чим її їдять

У цьому огляді ми розглянемо бездротове обладнання ASUS, що має підтримку режиму MIMO (Multiple Input Multiple Output). За словами компанії (точніше, судячи з написів на коробках), це бездротове обладнання дозволяє досягти швидкості зв'язку до 100 Мбіт/с. Чи це відповідають дійсності, дізнаємося в даному огляді.

Бездротовий Cardbus-адаптер ASUS WL-106gM

Комплект поставки:

• Бездротовий адаптер
• Диск з інструкцією та ПЗ під ОС Windows
• Коротка інструкціяз встановлення та експлуатації 5-ма мовами, включаючи російську

На бездротовому адаптері розташовано 2 індикатори: індикатор стану бездротового з'єднання та індикатор активності.

Зовнішній блок, в якому розташовуються антени бездротового зв'язку протовщину, що потрібно враховувати при використанні декількох Cardbus-слотів, розташованих один над одним.

Специфікація:

• Інтерфейс: Cardbus
• Підтримувані швидкості:
  IEEE 802.11b: 1, 2, 5,5, 11 Мбіт/с
  IEEE 802.11g: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Мбіт/с
  MIMO: 240 Мбіт/с
• Вихідна потужність:
  14-16 dBm у режимі IEEE 802.11g
  19-20 dBm у режимі IEEE 802.11b
• Антени: 3 вбудовані
• Чутливість приймача:
  11 Мбіт/с: -88 dBm
  54 Мбіт/с: -76 - -79 dBm
• Безпека:
  WEP: 64/128 біт
  WPA/WPA2: EAP-PEAP, EAP-TLS, EAP-TTLS, EAP-LEAP
  WPA-PSK/WPA2-PSK: так

У документації до бездротового адаптера нічого не повідомляється щодо реалізації технології MIMO. На сайті компанії ASUS повідомляється, що трафік між MIMO пристроями передається кількома потоками (при цьому, мабуть, задіяно кілька каналів), причому ці потоки передаються з використанням різних антен.

Конфігурація бездротового адаптера:

Розглянутий бездротовий адаптерможна налаштувати за допомогою утиліти налаштування або за допомогою стандартної утиліти Windows XP Windows Zero Config (WZC). Скриншоти утиліти налаштування бездротового адаптера наведені нижче

Налаштування бездротового адаптера не дозволяють здійснювати перемикання між режимами (IEEE 802.11b/IEEE 802.11g/MIMO), а також здійснювати вибір швидкості підключення. Бездротовий адаптер підтримує як WPA, так і WPA2 шифрування з використанням алгоритмів AES або TKIP (вибір конкретного алгоритму шифрування здійснюється в налаштуваннях бездротового зв'язку).

Бездротовий маршрутизатор ASUS WL-566gM

Функціональні можливості: NAT-маршрутизатор, бездротова точкадоступу MIMO, що має зворотну сумісність зі стандартами IEEE 802.11g і IEEE 802.11b, 4-портовий комутатор з автовизначенням полярності на портах (Auto MDI/MDI-X).

Зовнішній вигляд

Попереду на маршрутизаторі розміщені такі індикатори:

• Індикатор живлення
• Індикатор активності бездротових з'єднань
• По одному індикатору активності на кожен із 4-х портів LAN
• Індикатор активності WAN-порту

Ззаду на маршрутизаторі розташовані:

• Роз'єм живлення
• Клавіша EZSetup
• Клавіша скидання налаштувань
• WAN-порт RJ-45
• 4 LAN-порти
• 3 стаціонарні антени

Вид зсередини

Основна плата пристрою повністю прихована під припаяним металевим екраном, тому з'ясувати, з урахуванням яких мікросхем побудовано цей пристрій без незворотних наслідків неможливо.

Комплект поставки:

• Сам маршрутизатор
• Патчкорд RJ-45 - RJ-45 довжиною близько 1.5 метрів
• БП 5В, 2А із довжиною шнура близько 1.5 метрів
• Посібник із швидкого встановлення та налаштування 5-ма мовами, включаючи російську
• Диск із документацією та утилітами

Специфікація:

На сайті компанії ASUS сказано, що пристрій розроблявся з використанням попередніх напрацювань нового стандарту бездротового зв'язку IEEE 802.11n (Pre IEEE 802.11n) - цей стандарт ще не прийнятий, але він матиме зворотну сумісність зі стандартами IEEE 802.11b.

Конфігурація:

Для налаштування маршрутизатора можна скористатися WEB-інтерфейсом, або використовувати утиліту під ОС Windows, що поставляється на CD-диску в комплекті з пристроєм.

Скріншоти WEB-інтерфейсу налаштування наведені .

WEB-інтерфейс даного пристрою за більшістю параметрів і зовнішньому виглядусхожий на WEB-інтерфейс бездротових маршрутизаторів ASUS WL-520G та ASUS WL-550gE, які розглядалися нами у попередніх оглядах.

Розглянемо деякі аспекти налаштування.

Пристрій дозволяє вручну встановити швидкість бездротового підключення. При цьому швидкість з'єднання бездротового адаптера дорівнюватиме зазначеної тут швидкості.

Налаштування правил файрволу дозволяють проводити фільтрацію лише вихідного трафіку протоколами TCP, UDP або IP. При цьому фільтрація здійснюється за діапазоном портів призначення та IP-адресою джерела пакетів, що суттєво знижує гнучкість налаштування пристрою. Є можливість задати розклад роботи файрвола, але розклад поширюється одразу на всі правила фільтрації трафіку – немає можливості розкладу до кожного конкретного правила.

Політики шейпінгу трафіку повністю ідентичні тим, що застосовувалися у пристрої ASUS WL-550gE, розглянутому раніше.

PPTP-клієнт пристрою дозволяє здійснювати підключення до PPTP-сервера з використанням PAP, CHAP, MSCHAP та MSCHAPv2 автентифікації, а також дозволяє використовувати MPPE-шифрування. Однак при підключенні до PPTP-сервера втрачається зв'язок з WAN-сегментом мережі маршрутизатора - весь трафік, що виходить через WAN-порт, направляється на PPTP-сервер. При цьому варто врахувати, що підключення до PPTP-сервера можливе лише в тому випадку, якщо він знаходиться в тому ж сегменті мережі маршрутизатора, що і WAN-інтерфейс пристрою, оскільки його адреса (адреса PPTP-сервера) вказується в полі "основний шлюз" (Default Gateway). Сильно засмутило те, що пристрій не дозволяє встановити статичні записи в таблиці маршрутизації - ця можливість відсутня в пристрої як така.

Також налаштування пристрою не дозволяє повністю вимкнути бездротовий зв'язок.

Крім WEB-інтерфейсу, пристрій можна налаштувати з використанням програми EZSetup. дана програмавиконана у вигляді покрокового майстра, що дозволяє налаштувати параметри пристрою та безпеку бездротового зв'язку менш ніж за хвилину. Після запуску програми, щоб активувати дану можливість, необхідно натиснути кнопку EZSetup, розташовану на пристрої ззаду. Більш детальну інформацію про роботу програми можна прочитати в огляді, присвяченому пристрої ASUS WL-520G.

Тестування продуктивності

Тестування бездротового сегмента:

Для тестування продуктивності бездротового сегмента був використаний бездротовий адаптер ASUS WL-106gM, який ми розглянули на початку даного огляду. Бездротовий адаптер підтримує технологію MIMO, сумісну з цим пристроєм.

Деякі відомості про принципи підвищення продуктивності в бездротових мережах можна отримати з оглядів, раніше опублікованих на нашому сайті:

• Методи збільшення продуктивності у бездротових мережах Wi-Fi, частина перша: Bursting, Compression, Fast Frames, Concatenation
• Методи збільшення продуктивності у бездротових мережах Wi-Fi, частина друга: Dynamic/Static Turbo

Було проведено такі тести:

• Тест "точка доступу - бездротовий Cardbus-адаптер, режим MIMO"

Умовні позначення:

• Cardbus - бездротовий Cardbus-адаптер ASUS WL-106gM
• AP - точка доступу на роутері ASUS WL-566gM (коли трафік йде від точки доступу або до точки доступу, генератором трафіку служить комп'ютер у LAN-сегменті пристрою)

Тест "точка доступу - Cardbus-адаптер"— трафік ганявся між Cardbus-адаптером ASUS WL-106gM і комп'ютером LAN-сегменту точки доступу на роутері ASUS WL-566gM. Тестування проводилося в MIMO-режимі, так як ні аналізований бездротовий адаптер, ні точка доступу не дозволяють проводити вибір використовуваних режимів бездротового зв'язку. Відстань між точками не перевищувала 5 метрів.

Максимальні швидкості: 95,61 Мбіт/с. Як видно з діаграми, бездротове обладнання, що розглядається, дійсно показує дуже високі швидкісні характеристики, порівняні зі швидкостями в провідних мережах.

Тестування провідного сегменту- Тестування проводилося за цією методикою

Максимальна швидкість: 90,24 Мбіт/с - дана швидкістьвиявилася навіть нижчою від отриманої при тестуванні бездротового зв'язку. Швидкість трафіку у напрямку LAN->WAN чомусь значно нижча, ніж у зворотному напрямку — можливо, це пов'язано з тим, що фільтрація трафіку здійснюється лише у цьому напрямку.

PPTP-підключення, MPPE-шифрування 128 біт

При використанні PPTP-з'єднання з увімкненим MPPE-шифруванням, розподіл швидкостей дещо змінився. Здивувало те, що хоча більшість швидкостей впала (з ~90 Мбіт/с до ~40-50 Мбіт/с), деякі швидкості навпаки навіть зросли (швидкість у напрямку LAN->WAN). Максимальна швидкість: 62,21 Мбіт/с.

Тест NetPIPE

Максимальна швидкість: 86,17 Мбіт/с. Жодних аномалій у графіку не спостерігається.

Шейпінг трафіку:

Пристрій дозволяє проводити шейпінг трафіку за критеріями, але список цих критеріїв занадто малий для того, щоб можна було гнучко використовувати шейпінгу трафіку.

Так як повністю аналогічний шейпінг трафіку реалізований у пристрої ASUS WL-550gE, розглянутому нами раніше, його опис візьмемо з огляду, присвяченого пристрою.

Для вхідного трафіку список критеріїв обмежений IP-адресою комп'ютера призначення та портом призначення, діапазон портів не можна задати. Також при заданні правил вхідного трафіку поле IP-адреси можна залишити порожнім — тоді задана ширина каналу буде ділитися між усіма клієнтами, які використовують відповідний порт для передачі даних.

Для вихідного трафіку список обмежений лише портом призначення. В обох видах шейпінгу задається мінімальна та максимальна ширина смуги пропускання (задається в кбіт/с), у нашому тестуванні буде в основному фігурувати саме максимальна ширина смуги пропускання, оскільки мінімальне значення використовується лише при розділі смуги пропускання між кількома правилами шейпінгу при обмеженій сумарній ширині каналу.

Спочатку подивимося, наскільки точно відповідає реальна ширина каналу заданої.

Для вхідного трафіку:

Як видно з таблиці, швидкість трафіку досить сильно відрізняється від заданої. У низці тестів швидкості різняться більш ніж 2 разу.

Для вихідного трафіку:

Даний пристрій має великий набір як позитивних, так і негативних моментів.

Насамперед варто звернути увагу на дуже високу продуктивність бездротового зв'язку — такими характеристиками не може похвалитися жодне Wi-Fi пристрійз тих, що раніше потрапляли до нашої тестової лабораторії, — використання попередніх напрацювань стандарту IEEE 802.11n (і технології MIMO, яку використовуватиме цей стандарт) дає відчутний приріст продуктивності. Однак до прийняття цього стандарту, складно говорити про сумісність "Pre IEEE 802.11n - обладнання" різних виробників.

Однак, як і в більшості випадків, без дьогтю теж не обійшлося. Пристрій не дозволяє задавати правила роутингу - дана можливість просто не реалізована в даному пристрої. При підключенні до PPTP-сервера втрачається зв'язок з WAN-сегментом маршрутизатора. До того ж PPTP-сервер повинен бути в тому ж сегменті, що і WAN-інтерфейс маршрутизатора, оскільки його адреса задається в графі "основний шлюз". PPTP-клієнт пристрою підтримує PAP, CHAP, MSCHAP та MSCHAPv2 автентифікацію, також є підтримка MPPE-шифрування.

Додам також, що багато налаштувань пристрою ніяк не розписані в документації, що також затьмарює і без того не безхмарну ситуацію.

Плюси:

• Висока продуктивність бездротового зв'язку (понад 90 Мбіт/с)
• Висока продуктивність провідного зв'язку
• Висока безпека пристрою
• Широкий набір протоколів "парольної аутентифікації" у PPTP-клієнта, розташованого на пристрої (PAP, CHAP, MSCHAP, MSCHAPv2)
• Підтримка MPPE-шифрування під час використання PPTP-підключення
• Можливість шейпінгу трафіку

Мінуси:

• При використанні PPTP-з'єднання, PPTP-сервер повинен бути в тому ж сегменті мережі, що і WAN-інтерфейс маршрутизатора
• Після підключення до PPTP-сервера втрачається зв'язок з WAN-сегментом мережі - весь WAN-трафік спрямовується на PPTP-сервер
• Вузький список критеріїв шейпінгу трафіку
• У ряді випадків задані параметри шейпінгу трафіку дуже відрізняються від реальних швидкостей
• Вузький список критеріїв фільтрації трафіку
• Відсутність опису налаштувань пристрою в документації

Вконтакте

Однокласники

Мобільна передача даних LTE відноситься до покоління 4G . За допомогою неї підвищується швидкість приблизно в 10 разів та ефективність передачі даних, порівняно з 3G мережею. Однак, не рідко буває, що швидкість прийому та передачі, навіть нового покоління, залишає бажати кращого. Це безпосередньо залежить від якості сигналу, який надходить від базової станції. Для вирішення цієї проблеми використовують зовнішні антени.

За своєю конструкцією, LTE антени можуть бути: звичайні та MIMO ( подвійні) . За допомогою звичайної системи можна досягти швидкості до 50 Мбіт/сек. MIMO ж, може збільшити цю швидкість вдвічі. Це здійснюється за рахунок установки в одній системі (коробі) двох антен, розташованих на невеликій відстаніодин від одного. Вони одночасно приймають і передають сигнал через два окремі кабелі до приймача. За рахунок цього відбувається збільшення швидкості.

MIMO (Multiple Input Multiple Output -множинний вхід - це технологія, яка використовується в бездротових системах зв'язку (WIFI, WI-MAX, стільникові мережі зв'язку), що дозволяє значно покращити спектральну ефективність системи, максимальну швидкість передачі даних та ємність мережі. Головним способом досягнення зазначених вище переваг є передача даних від джерела до одержувача через декілька радіо з'єднань, звідки ця технологія і отримала свою назву.

Особливості поширення радіохвиль

Хвилі, що випромінюються різними системами бездротового радіозв'язку в діапазоні понад 100 МГц, багато в чому поводяться як світлові промені. Коли радіохвилі при поширенні зустрічають якусь поверхню, то в залежності від матеріалу і розміру перешкоди частина енергії поглинається, частина проходить наскрізь, а решта - відбивається. Причому відбита і пройшла наскрізь енергії сигналу можуть змінити напрямок подальшого поширення, а сам сигнал розбивається кілька хвиль. Кожна з хвиль, що дійшли до приймача, утворює так званий шлях поширення сигналу. Причому через те, що різні хвилі відбиваються від різних перешкод і проходять різна відстань, різні шляхи мають різні тимчасовізатримки.

Розподіл енергії сигналу при взаємодії з перешкодою

В умовах щільної міської споруди, через велику кількість перешкод, таких як будівлі, дерева, автомобілі та ін., дуже часто виникає ситуація коли між абонентськимобладнанням (MS)та антенами базової станції (BTS ) відсутня пряма видимість. У цьому випадку єдиним варіантом досягнення сигналу приймача є відбиті хвилі. Однак, як зазначалося вище, багаторазово відбитий сигнал вже не має вихідної енергії і може прийти із запізненням. Особливу складність створює той факт, що об'єкти не завжди залишаються нерухомими і обстановка може значно змінитися з часом. У зв'язку з цим виникає проблема багатопроменевогопоширеннясигналу - одна з найбільш суттєвих проблем у бездротових системах зв'язку.

Для боротьби з багатопроменевим поширенням сигналів застосовується Receive Diversity – рознесенийприйом.

Суть його полягає в тому, що для прийому сигналу використовується не одна, а зазвичай дві антени, розташовані на відстані одна від одної. Таким чином, одержувач має не одну, а одразу дві копії переданого сигналу, що прийшов різними шляхами. Це дозволяє зібрати більше енергії вихідного сигналу, т.к. хвилі, прийняті однією антеною, можуть бути прийнятими інший і навпаки. Цю схему організації радіо інтерфейсу можна назвати Single Input Multiple Output (SIMO). Також може бути застосований зворотний підхід: коли використовується кілька антен на передачу та одна на прийом, ця схема називається Multiple Input Single Output (MISO).

В результаті ми приходимо до схеми Multiple Input Multiple Output (MIMO). У цьому випадку встановлюються кілька антен на передачу та прийом. Однак на відміну від зазначених вище схем ця схема рознесення дозволяє не тільки боротися з багатопроменевим поширенням сигналу, але і за рахунок використання кількох антен на передачі та прийомі кожної пари передаючої/прийомної антени можна зіставити окремий тракт передачі інформації. В результаті, теоретично, можна збільшити швидкість передачі даних у стільки разів, скільки додаткових антенвикористовуватиметься.

Принцип роботи MIMO

Як уже зазначалося вище, для організації технології MIMO необхідна установка кількох антен на передавальній та на приймальній стороні. Зазвичай встановлюється рівне число антен на вході та виході системи, т.к. у цьому випадку досягається максимальна швидкість передачі даних. Щоб показати число антен на прийомі та передачі разом із назвою технології «MIMO»зазвичай згадується позначення "AxB",де A – число антен на вході системи, а B – на виході.

Для роботи технології MIMO необхідні деякі зміни у структурі передавача порівняно з звичайними системами. В першу чергу, на стороні, що передає, необхідний дільник потоків, який буде розділяти дані, призначені для передачі на кілька низькошвидкісних підтоків, число яких залежить від числа антен. Наприклад, для MIMO 2х2 та швидкості надходження вхідних даних 100 Мбіт/сек дільник буде створювати 2 потоки по 50 Мбіт/сек кожен. Далі кожен з цих потоків повинен бути переданий через свою антену. В одному з можливих способівОрганізація технології MIMO сигналу передається від кожної антени з різною поляризацією, що дозволяє ідентифікувати його при прийомі.

На приймальній стороні кілька антен приймають сигнал радіоефіру. Причому антени на приймальній стороні також встановлюються з деяким просторовим рознесенням, завдяки чому забезпечується рознесений прийом. Прийняті сигнали надходять на приймачі, число яких відповідає числу антен і трактів передачі. Причому кожен із приймачів надходять сигнали від усіх антен системи. Кожен із таких суматорів виділяє із загального потоку енергію сигналу тільки того тракту, за який він відповідає. Залежно від принципу роботи системи, переданий сигнал може повторюватися через певний часабо передаватися з невеликою затримкою через інші антени.

Розглянутий вище принцип організації радіозв'язку відноситься до так званої Single user MIMO (SU-MIMO), де існує лише один передавач та приймач інформації. У цьому випадку передавач і приймач можуть чітко узгодити тільки свої дії. Така схема підходить, наприклад, для організації зв'язку в будинку офісі між двома пристроями. У свою чергу більшість систем, такі як WI-FI, WIMAX, стільникові системи зв'язку є розрахованими на багато користувачів, тобто. у них існує єдиний центр та кілька віддалених об'єктів, з кожним з яких необхідно організувати радіоз'єднання. У цьому випадку вирішують дві проблеми: з одного боку базова станція передає сигнал до багатьох абонентів через одну й ту саму антенну систему (MIMO broadcast), і в той же час приймає сигнал через ті ж антени від кількох абонентів (MIMO MAC - Multiple Access Channels).

Принцип організації технології MIMO

Застосування MIMO

Технологія MIMO в останнє десятиліття є одним із найактуальніших способів збільшення пропускну здатністьта ємності бездротових систем зв'язку. Розглянемо деякі приклади використання MIMO в різних системахзв'язку.

Стандарт WiFi 802.11n – один з найбільш яскравих прикладів використання технології MIMO. Відповідно до нього він дозволяє підтримувати швидкість до 300 Мбіт/сек. Причому попередній стандарт 802.11g дозволяв надавати лише 50 Мбіт/с. Крім збільшення швидкості передачі даних, новий стандартзавдяки MIMO також дозволяє забезпечити найкращі характеристикиякості обслуговування у місцях з низьким рівнем сигналу.

Стандарт WiMAX також має два релізи, які розкривають нові можливості перед користувачами за допомогою технології MIMO. Перший – 802.16e – надає послуги мобільного широкосмугового доступу. Він дозволяє передавати інформацію зі швидкістю до 40 Мбіт/сек у напрямку від базової станції до абонентського обладнання. Однак MIMO в 802.16e розглядається як опція та використовується у найпростішій конфігурації – 2х2. У наступному релізі 802.16m MIMO розглядається як обов'язкова технологія з можливою конфігурацією 4х4. У даному випадку WiMAX вже можна віднести до стільниковим системамзв'язку, а саме четвертому їхньому поколінню (за рахунок високої швидкостіпередачі даних). У разі мобільного використання теоретично може бути досягнута швидкість 100 Мбіт/сек. У фіксованому виконанні швидкість може досягати 1 Гбіт/сек.

Найбільший інтерес становить використання технології MIMO в системах стільникового зв'язку. Ця технологіязнаходить своє застосування, починаючи з третього покоління систем стільникового зв'язку. Наприклад, у стандарті UMTS, у Rel. 6 вона використовується спільно з технологією HSPA з підтримкою швидкостей до 20 Мбіт/сек, а Rel. 7 - з HSPA+, де швидкості передачі досягають 40 Мбіт/сек. Однак у системах 3G MIMO так і не знайшла широкого застосування.

Системи 4G, а саме LTE, також передбачають використання MIMO у конфігурації до 8х8. Це теоретично може дати можливість передавати дані від базової станції до абонента понад 300 Мбіт/сек. Також важливим позитивним моментом є стійка якість з'єднання навіть на краю стільника.. При цьому навіть на значній відстані від базової станції або при знаходженні в глухому приміщенні буде спостерігатися лише незначне зниження швидкості передачі даних.

Таким чином, технологія MIMO знаходить застосування практично у всіх системах бездротової передачіданих. Причому потенціал її не вичерпано. Вже зараз розробляються нові варіанти конфігурації антен, аж до 64х64 MIMO. Це в майбутньому дозволить досягти ще більших швидкостей передачі даних, ємності мережі та спектральної ефективності.

27.08.2015

Напевно, багато хто вже чув про технологію MIMO, Останніми роками її часто рясніють рекламні проспекти і плакати, особливо в комп'ютерні магазинита журналах. Але що ж таке MIMO (МІМО) і з чим її їдять? Давайте розберемося докладніше.

Технологія MIMO

MIMO (Multiple Input Multiple Output; множинні входи, множинні виходи) - метод просторового кодування сигналу, що дозволяє збільшити смугу пропускання каналу, при якому для передачі даних використовуються дві і більше антени і така кількість антен для прийому. Передавальні та приймальні антени рознесені настільки, щоб досягти мінімального взаємного впливу одна на одну між сусідніми антенами. Технологія MIMO використовується в бездротового зв'язку Wi-Fi, WiMAX, LTE для збільшення пропускної здатності та більш ефективного використання частотної смуги. Фактично MIMO дозволяє одному частотному діапазоні і заданому частотному коридорі передавати більше даних, тобто. збільшити швидкість. Досягається це рахунок використання кількох передавальних і приймаючих антен.

Історія MIMO

Технологію MIMO можна віднести до досить молодих розробок. Її історія починається 1984 року, коли було зареєстровано перший патент використання цієї технології. Початкові розробки та дослідження проходили в компанії Bell Laboratories, а 1996 року компанія Airgo Networksбув випущений перший MIMO-чіпсет під назвою True MIMO. Найбільшого розвитку технологія MIMO отримала на початку XXI століття, коли бурхливими темпами почали розвиватися бездротові мережі Wi-Fi та мережі 3G. А зараз технологія MIMO на повну силу використовується в мережах 4G LTE і Wi-Fi 802.11b/g/ac.

Що надає технологія MIMO?

Для кінцевого користувача MIMO дає значний приріст швидкості передачі даних. Залежно від конфігурації обладнання та кількості використовуваних антен можна отримати двократний, трикратний і до восьмикратного збільшення швидкості. Зазвичай у бездротових мережах використовується однакова кількість передаючих та приймаючих антен, і записується це як, наприклад, 2х2 або 3х3. Тобто. якщо бачимо запис MIMO 2x2, то дві антени передають сигнал і дві приймають. Наприклад, у стандарті Wi-Fi один канал шириною 20 МГц дає пропускну здатність 866 Мбіт/с, тоді як у конфігурації MIMO 8x8 об'єднуються 8 каналів, що дає максимальну швидкість близько 7 Гбіт/с. Аналогічно і в LTE MIMO – потенційне зростання швидкості у кілька разів. Для повноцінного використання MIMO у мережах LTE необхідні , т.к. як правило, вбудовані антени недостатньо рознесені і дають малий ефект. І, звичайно, має бути підтримка MIMO з боку базової станції.

LTE-антена з підтримкою MIMO передає та приймає сигнал у горизонтальній та вертикальній площинах. Це називається поляризація. Відмінною особливістю MIMO-антен є наявність двох антенних роз'ємів, і відповідно використання двох проводів для підключення до модему/роутеру.

Незважаючи на те, що багато хто говорить, і не безпідставно, що MIMO-антена для мереж 4G LTE фактично є дві антени в одній, не варто думати, що при використанні такої антени буде двократне зростання швидкості. Таким він може бути тільки теоретично, а на практиці різниця між звичайною і MIMO-антеною в мережі 4G LTE не перевищує 20-25%. Однак, важливішим у цьому випадку буде стабільний сигнал, який може забезпечити MIMO-антена.

MIMO(Multiple Input Multiple Output – множинний вхід множинний вихід) – це технологія, що використовується у бездротових системах зв'язку (WIFI, стільникові мережі зв'язку), що дозволяє значно покращити спектральну ефективність системи, максимальну швидкість передачі даних та ємність мережі. Головним способом досягнення зазначених вище переваг є передача даних від джерела до одержувача через декілька радіо з'єднань, звідки ця технологія і отримала свою назву. Розглянемо передісторію даного питання, і визначимо основні причини, що послужили поширенню технології MIMO.

Необхідність високошвидкісних з'єднань, що надають високі показники якості обслуговування (QoS) з високою відмовостійкістю зростає від року в рік. Цьому значною мірою сприяє поява таких сервісів як VoIP (), VoD () та ін. Однак більшість бездротових технологій не дозволяють надати абонентам високу якість обслуговування на краю зони покриття. У стільникових та інших бездротових системах зв'язку якість з'єднання, як і доступна швидкість передачі даних стрімко падає з віддаленням від (BTS). Разом з цим падає і якість послуг, що в результаті призводить до неможливості надання послуг реального часу. високою якістюпо всій території радіо покриття мережі. Для вирішення цієї проблеми можна спробувати максимально щільно встановити базові станції та організувати внутрішнє покриття у всіх місцях із низьким рівнем сигналу. Однак це вимагатиме значних фінансових витрат, що в кінцевому рахунку призведе до зростання вартості послуги та зниження конкурентоспроможності. Таким чином, для вирішення цієї проблеми потрібне оригінальне нововведення, що використовує, по можливості, поточний Частотний діапазонта не потребує будівництва нових об'єктів мережі.

Особливості поширення радіохвиль

Щоб зрозуміти принципи дії технології MIMO необхідно розглянути загальні у просторі. Хвилі, що випромінюються різними системами бездротового радіозв'язку в діапазоні понад 100 МГц, багато в чому поводяться як світлові промені. Коли радіохвилі при поширенні зустрічають якусь поверхню, то залежно від матеріалу і розміру перешкоди частина енергії поглинається, частина проходить наскрізь, а решта – відбивається. На співвідношення часток поглиненої, відбитої і що пройшла наскрізь елементів енергій впливає безліч зовнішніх чинників, зокрема і частота сигналу. Причому відбита і пройшла наскрізь енергії сигналу можуть змінити напрямок подальшого поширення, а сам сигнал розбивається кілька хвиль.

Сигнал, що розповсюджується за вищевказаними законами, від джерела до одержувача після зустрічі з численними перешкодами розбивається на безліч хвиль, лише частина з яких досягне приймач. Кожна з хвиль, що дійшли до приймача, утворює так званий шлях поширення сигналу. Причому через те, що різні хвилі відбиваються від різних перешкод і проходять різну відстань, різні шляхи мають різні .

В умовах щільної міської споруди, через велику кількість перешкод, таких як будівлі, дерева, автомобілі та ін., дуже часто виникає ситуація, коли між (MS) та антенами базової станції (BTS) відсутня пряма видимість. У цьому випадку єдиним варіантом досягнення сигналу приймача є відбиті хвилі. Однак, як зазначалося вище, багаторазово відбитий сигнал вже не має вихідної енергії і може прийти із запізненням. Особливу складність створює той факт, що об'єкти не завжди залишаються нерухомими і обстановка може значно змінитися з часом. У зв'язку з цим виникає проблема – одна з найістотніших проблем у бездротових системах зв'язку.

Багатопроменеве поширення – проблема чи перевага?

Для боротьби з багатопроменевим поширенням сигналів застосовується кілька різних рішень. Однією з найпоширеніших технологій є Receive Diversity – . Суть його полягає в тому, що для прийому сигналу використовується не одна, а відразу кілька антен (зазвичай дві, рідше чотири) розташовані на відстані один від одного. Таким чином, одержувач має не одну, а одразу дві копії переданого сигналу, що прийшов різними шляхами. Це дозволяє зібрати більше енергії вихідного сигналу, т.к. хвилі, прийняті однією антеною, можуть бути прийнятими інший і навпаки. Також сигнали, що надходять у протифазі до однієї антени, можуть приходити до іншої синфазно. Цю схему організації радіо інтерфейсу можна назвати Single Input Multiple Output (SIMO), на противагу стандартній схемі Single Input Single Output (SISO). Також може бути застосований зворотний підхід: коли використовується кілька антен на передачу та одна на прийом. Завдяки цьому збільшується загальна енергія вихідного сигналу, отримана приймачем. Ця схема називається Multiple Input Single Output (MISO). У обох схемах (SIMO і MISO) кілька антен встановлюються за базової станції, т.к. реалізувати рознесення антен у мобільному пристроїна достатньо велика відстаньскладно без збільшення габаритів кінцевого обладнання.

Внаслідок подальших міркувань ми приходимо до схеми Multiple Input Multiple Output (MIMO). У цьому випадку встановлюються кілька антен на передачу та прийом. Однак, на відміну від зазначених вище схем, ця схема рознесення дозволяє не тільки боротися з багатопроменевим поширенням сигналу, але й отримати деякі додаткові переваги. За рахунок використання кількох антен на передачі та прийомі кожної пари передавальної/прийомної антени можна зіставити окремий тракт передачі інформації. При цьому рознесений прийом буде виконуватися антени, що залишилися, а дана антена також буде виконувати функції додаткової антени для інших трактів передачі. В результаті, теоретично, можна збільшити швидкість передачі даних у стільки разів, скільки додаткових антен буде використовуватись. Однак суттєве обмеження накладається якістю кожного радіотракту.

Принцип роботи MIMO

Як уже зазначалося вище, для організації технології MIMO необхідна установка кількох антен на передавальній та на приймальній стороні. Зазвичай встановлюється рівне число антен на вході та виході системи, т.к. у цьому випадку досягається максимальна швидкість передачі даних. Щоб показати число антен на прийомі та передачі разом із назвою технології MIMO зазвичай згадується позначення AxB, де A – число антен на вході системи, а B – на виході. Під системою у разі розуміється радіо з'єднання.

Для роботи технології MIMO необхідні деякі зміни у структурі передавача порівняно із звичайними системами. Розглянемо лише одне із можливих, найпростіших, способів організації технології MIMO. В першу чергу, на стороні, що передає, необхідний дільник потоків, який буде розділяти дані, призначені для передачі на кілька низькошвидкісних підтоків, число яких залежить від числа антен. Наприклад, для MIMO 4х4 і швидкості надходження вхідних даних 200 Мбіт/сек дільник буде створювати 4 потоки по 50 Мбіт/сек кожен. Далі кожен з цих потоків повинен бути переданий через свою антену. Зазвичай антени на передачі встановлюються з деяким просторовим рознесенням, щоб забезпечити якомога більше побічних сигналів, що виникають в результаті перевідбиття. В одному з можливих способів організації технології MIMO сигнал передається від кожної антени з різною поляризацією, що дозволяє його ідентифікувати при прийомі. Однак у найпростішому випадку кожен із сигналів, що передаються, виявляється промаркованим самим середовищем передачі (затримкою в часі, та іншими спотвореннями).

На приймальній стороні кілька антен приймають сигнал радіоефіру. Причому антени на приймальній стороні також встановлюються з деяким просторовим рознесенням, за рахунок чого забезпечується рознесений прийом, який раніше обговорювався. Прийняті сигнали надходять на приймачі, число яких відповідає числу антен і трактів передачі. Причому кожен із приймачів надходять сигнали від усіх антен системи. Кожен із таких суматорів виділяє із загального потоку енергію сигналу тільки того тракту, за який він відповідає. Робить він це або за будь-яким заздалегідь передбаченим ознакою, яким був забезпечений кожен із сигналів, або завдяки аналізу затримки, згасання, зсуву фази, тобто. набору спотворень чи «відбитку» середовища розповсюдження. Залежно від принципу роботи системи (Bell Laboratories Layered Space-Time - BLAST, Selective Per Antenna Rate Control (SPARC) і т.д.), сигнал, що передається може повторюватися через певний час, або передаватися з невеликою затримкою через інші антени.

У системі з технологією MIMO може виникнути незвичайне явище, яке полягає в тому, що швидкість передачі даних в системі MIMO може знизитися у разі прямої видимості між джерелом і приймачем сигналу. Це обумовлено насамперед зменшенням виразності спотворень навколишнього простору, який маркує кожен із сигналів. В результаті на приймальній стороні стає проблематичним розділити сигнали, і вони починають впливати один на одного. Таким чином, що вища якість радіо з'єднання, то менше переваг можна отримати від MIMO.

Multi-user MIMO (MU-MIMO)

Розглянутий вище принцип організації радіозв'язку відноситься до так званої Single user MIMO (SU-MIMO), де існує лише один передавач та приймач інформації. У цьому випадку передавач і приймач можуть чітко узгодити свої дії, і в той же час немає фактора несподіванки, коли в ефірі можуть з'явитися нові користувачі. Така схема цілком підходить для невеликих систем, наприклад для організації зв'язку в офісному будинку між двома пристроями. У свою чергу більшість систем, такі як WI-FI, WIMAX, стільникові системи зв'язку є розрахованими на багато користувачів, тобто. у них існує єдиний центр та кілька віддалених об'єктів, з кожним з яких необхідно організувати радіоз'єднання. Таким чином, виникають дві проблеми: з одного боку базова станція повинна передати сигнал до багатьох абонентів через ту саму антенну систему (MIMO broadcast), і в той же час прийняти сигнал через ті ж антени від декількох абонентів (MIMO MAC – Multiple Access Channels).

У напрямку uplink – від MS до BTS, користувачі передає свою інформацію одночасно на одній частоті. У разі для базової станції виникає складність: необхідно розділити сигнали від різних абонентів. Одним з можливих способів боротьби з цією проблемою також є спосіб лінійної обробки (linear processing), який передбачає попередню сигналу, що передається. Вихідний сигнал, згідно з цим способом, перемножується з матрицею, яка складається з коефіцієнтів, що відображають інтерференційну дію від інших абонентів. Матриця складається з поточної обстановки в радіоефірі: числа абонентів, швидкостей передачі тощо. Таким чином, перед передачею сигнал піддається спотворенню зворотному з тим, яке він зустріне під час передачі радіоефіру.

У downlink - напрямок від BTS до MS, базова станція передає сигнали одночасно на тому самому каналі відразу до кількох абонентів. Це призводить до того, що сигнал, що передається одного абонента, впливає прийом всіх інших сигналів, тобто. з'являється інтерференція. Можливими варіантамиборотьби з цією проблемою є використання або застосування технології кодування dirty paper («брудний папір»). Розглянемо технологію dirty paper докладніше. Принцип її дії ґрунтується на аналізі поточного стану радіоефіру та числа активних абонентів. Єдиний (перший) абонент передає свої дані базової станції без кодування, зміни своїх даних, т.к. інтерференції з інших абонентів немає. Другий абонент кодуватиме, тобто. змінювати енергію свого сигналу так щоб не завадити першому і не піддати свій сигнал впливу від першого. Наступні абоненти, що додаються в систему, також будуть дотримуватися цього принципу, і спиратися на кількість активних абонентів і ефект, що надаються сигналами.

Застосування MIMO

Технологія MIMO в останнє десятиліття є одним із найактуальніших способів збільшення пропускної спроможності та ємності бездротових систем зв'язку. Розглянемо деякі приклади використання MIMO у різних системах зв'язку.

Стандарт WiFi 802.11n – один із найяскравіших прикладів використання технології MIMO. Відповідно до нього він дозволяє підтримувати швидкість до 300 Мбіт/сек. Причому попередній стандарт 802.11g дозволяв надавати лише 50 Мбіт/с. Окрім збільшення швидкості передачі даних, новий стандарт завдяки MIMO також дозволяє забезпечити найкращі характеристики якості обслуговування у місцях із низьким рівнем сигналу. 802.11n використовується не тільки в системах точка/багатоточка (Point/Multipoint) – найбільш звичною ніше використання технології WiFi для організації LAN (Local Area Network), але й для організації з'єднань типу точка/точка які використовуються для організації магістральних каналів зв'язку зі швидкістю кілька сотень Мбіт/сек та дозволяють передавати дані на десятки кілометрів (до 50 км).

Стандарт WiMAX також має два релізи, які розкривають нові можливості перед користувачами за допомогою технології MIMO. Перший – 802.16e – надає послуги мобільного широкосмугового доступу. Він дозволяє передавати інформацію зі швидкістю до 40 Мбіт/сек у напрямку від базової станції до абонентського обладнання. Однак MIMO в 802.16e розглядається як опція та використовується у найпростішій конфігурації – 2х2. У наступному релізі 802.16m MIMO розглядається як обов'язкова технологія з можливою конфігурацією 4х4. У разі WiMAX вже можна зарахувати до стільниковим системам зв'язку, саме четвертому їх поколінню (з допомогою високої швидкості передачі), т.к. має ряд властивих стільниковим мережамознак: голосові з'єднання. У разі мобільного використання теоретично може бути досягнута швидкість 100 Мбіт/сек. У фіксованому виконанні швидкість може досягати 1 Гбіт/сек.

Найбільший інтерес становить використання технології MIMO в системах стільникового зв'язку. Ця технологія знаходить своє застосування, починаючи з третього покоління систем стільникового зв'язку. Наприклад, у стандарті , у Rel. 6 вона використовується спільно з технологією HSPA з підтримкою швидкостей до 20 Мбіт/сек, а Rel. 7 – з HSPA+, де швидкості передачі досягають 40 Мбіт/сек. Однак у системах 3G MIMO так і не знайшла широкого застосування.

Системи, а саме LTE, також передбачають використання MIMO у конфігурації до 8х8. Це теоретично може дати можливість передавати дані від базової станції до абонента понад 300 Мбіт/сек. Також важливим позитивним моментом є стійка якість з'єднання навіть на краю. При цьому навіть на значній відстані від базової станції або при знаходженні в глухому приміщенні буде спостерігатися лише незначне зниження швидкості передачі даних.

Таким чином, технологія MIMO знаходить застосування практично у всіх системах бездротової передачі. Причому потенціал її не вичерпано. Вже зараз розробляються нові варіанти конфігурації антен, аж до 64х64 MIMO. Це в майбутньому дозволить досягти ще більших швидкостей передачі даних, ємності мережі та спектральної ефективності.

Суть технології MIMO та антени MIMO 2х2

Багато хто з Вас, швидше за все, чув про таку річ, як технологія MIMO.

Що таке MIMO? Розшифровується ця абревіатура, як "Multiple Input Multiple Output", що в

перекладі означає: "Множинний Вхід Множинний вихід". Суть технології така: методом просторового кодування сигналу збільшується смуга пропускання каналу, в якому передача даних відбувається через кілька антен. Простими словами: відбувається розширення сигналу рахунок збільшення кількості паралельних антен.

Найчастіше, технологія MIMO застосовується у Wi-Fi. Користуючись цією технологією, швидкість передачі даних стає більше 300 Мегабіт в секунду. До того ж, завдяки MIMO - бездротова мережапочала швидше передавати інформацію навіть там, де рівень прийому сигналу мінімальний. Так само, як і в Wi-Fi, у 4G швидкість перевищила поріг 300 мегабіт за секунду.

Головна перевага MIMO - відмінне та стабільне з'єднання навіть при пристойній відстані від станції.

Суть технології MIMO. Іншими словами: розпаралелів потік на кілька каналів можна пустити їх різними шляхами через кілька антен, і прийняти їх такими ж незалежними антенами на прийомі. Якщо ми передаватимемо по двох каналах MIMO одну й ту саму інформацію з невеликою затримкою, закодувавши її попередньо, ми можемо відновити втрачені символи на приймальній стороні, що еквівалентно поліпшенню відношення сигнал/шум до 10-12 дБ. Така технологія призводить до зростання швидкості.

Для поділу каналів застосовується поляризація. У мережах WI-FIтехнологія MIMO працює у стандартах IEEE 802.11n та IEEE802.11ac і підтримується вже багатьма пристроями. У темі, пов'язаній з MIMO є такий термін, як кабельні зборки. Кабельні зборки - це кабель, який з'єднує антену і пристрій, що передає (модем, роутер). Для правильного виборукабельної складання, потрібно точно знати відстань від антени до пристрою. У складання входять кабель та два роз'єми.

Є ще такий термін, як поляризація. Поляризація хвиль. Хвилі, у яких напрями електричного та магнітного полів зберігаються незмінними у просторі або змінюються за певним законом, називаються поляризованими.

Поляризація буває похилою, вертикальною та горизонтальною.

Розрізняють 3G та 4G антени.

Зовнішні антени застосовуються у таких випадках:

Швидкість з'єднання нижче, ніж заявив оператор.

Нестійкий зв'язок.

Слабкий сигнал або його повна відсутність.

Антени бувають декількох видів: панельні, стаціонарні, кругові, мультистандартні, універсальні, спрямовані, всеспрямовані, секторні та багато інших.

При виборі антени потрібно знати такі характеристики як:

Робочий діапазон частот (мгц).

Посилення.

Вхідний опір.

Активні випромінювачі антени надійно укриті від опадів у пластиковий корпус, захищений від ультрафіолету. Входи антени мають коротке замикання по постійному струмуміж зовнішнім та внутрішнім провідниками, що знижує ймовірність накопичення статичної електрикина вході модему і робить необов'язковим застосування грозорозрядника (при невеликій довжині сполучного фідера між модемом та антеною). Кріплення дозволяє закріпити антену на вертикальній трубі,

передбачено регулювання кута нахилу антени. Також завдяки конструкції кріплення можлива плавна зміна нахилу поляризації.

2. Перша універсальна виносна антена NITSA-5 MIMO 2x2 з підтримкою LTE-A (до 300 Мб/с). Також Nitsa-5 MIMO 2x2 призначена для використання в комплекті c стільниковими телефонами, модемами або репітерами стандартів LTE800/GSM900/GSM1800/UMTS900/UMTS2100/WIFI2400/LTE2600 Активні випромінювачі антени вкриті пластиковим корпусом. Кріплення дозволяє змінювати кут нахилу антени та нахил поляризації. Рекомендується використовувати на відстані до 10 км від базової станції. Завдяки підтримці технології MIMO дана антена буде універсальним рішенням для будь-якого швидкісного стандарту.

3. Універсальна панельна антена 15-17 dBi (1.7-2.7ГГц)

Панельна антена AGATA MIMO 2x2 BOX із герметичним боксом для USB 3G/4G модему є готовим рішенням для посилення сигналу 2G/3G/LTE. Тип антени – синфазна решітка. Рекомендується для використання на межах зон обслуговування, при слабкому та нестійкому рівні сигналу. Завдяки застосуванню USB-подовжувача з кабелю типу FTP CAT5 стало можливим унеможливити втрати сигналу на ділянці антена-модем.

Дане рішення дозволяє отримати виграш у посиленні сигналу до 6 дБ, що може бути вирішальним фактором поліпшення зв'язку.